• Non ci sono risultati.

A Time-Based Approach for the Synthesis of Antennas for UWB Communication Systems

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Condividi "A Time-Based Approach for the Synthesis of Antennas for UWB Communication Systems"

Copied!
6
0
0

Testo completo

(1)

UNIVERSITY

OF TRENTO

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA E SCIENZA DELL’INFORMAZIONE 38123 Povo – Trento (Italy), Via Sommarive 14

http://www.disi.unitn.it

A TIME-BASED APPROACH FOR THE SYNTHESIS OF ANTENNAS FOR UWB COMMUNICATION SYSTEMS

M. Benedetti, L. Lizzi, F. Viani, R. Azaro, P. Rocca, and A. Massa

January 2011

(2)
(3)

A Time‐Based Approach for the Synthesis of Antennas   for UWB Communication Systems      M. Benedetti*, L. Lizzi, F. Viani, R. Azaro, P. Rocca, and A. Massa  ELEDIA Group ‐ Department of Information Engineering and Computer Science  University of Trento, Via Sommarive 14, I‐38050 Trento, Italy  E‐mail: andrea.massa@ing.unitn.it, Web‐page: http://www.eledia.ing.unitn.it       Introduction    In Ultra‐Wideband (UWB) Communications, the design of the radiating system is  a very demanding task. Since high data rates are obtained by transmitting very  short temporal pulses, the correct reception of the transmitted waveforms plays  a fundamental role to guarantee the reliability of the whole UWB system. Under  these hypotheses the design of the antennas as independent devices is no more  acceptable.  Consequently,  customized  synthesis  techniques  are  needed  [1]  as  well as appropriate analysis tools for an accurate description of the behavior of  the antennas in the time domain [2]. 

In this paper, an innovative approach for the design of antennas compliant to the  UWB  requirements  is  presented.  In  such  an  approach,  the  whole  system  constituted  by  both  transmitting/receiving  antennas  and  the  communication  channel is modeled in order to allow an accurate characterization of the whole  set of interactions and mutual effects. Besides a good impedance matching over  the  operating  bandwidth,  UWB  antennas  are  characterized  by  distortionless  propagation  properties  suitable  to  assure  a  correct  reception  of  the  UWB  waveforms.  Towards  this  end,  a  Particle  Swarm  Optimizer  (PSO)  [3]  is  suitably  integrated into a time‐domain (FDTD) electromagnetic simulator.    Antenna Design    Let us consider a generic antenna geometry described by a set of representative  parameters 

{

p n N

}

p= n; =1,K .  (1)   The design problem is then formulated as the optimization of  p to fit the UWB  requirements: 

( )

{ }

p p p Φ =argmin ˆ .  (2)   Towards this end, the cost function  Φ  is minimized by means of a customized  PSO logic. More in detail, the cost function measures the degree of fitting to the  requirements of each trial solution. Since the objective of the design process is 

(4)

to obtain (a) a good impedance matching of the antennas over the whole band  of interest and (b) the non‐distortion of the UWB waveform, such a function is  defined as follows 

( )

p =Φ1

( )

p +Φ2

( )

p Φ   (3) where 

( )

=

( )

( )

( )

Φ 2 1 11 11 11 1 f f T T df f s f s f s p   (4) and  

( )

T T F F F p = − Φ2   (5)  

As  far  as  the  impedance  matching  condition  is  concerned, Φ1

( )

p   requires  the  antenna to have the magnitude of the return loss s11

( )

f  less than a fixed target  value  s11T

( )

f   within  the  frequency  range  of  interest  .  The  distortionless  system  condition  is  formulated  in  terms  of  the  fidelity 

2 1 f f f < < F  that  should be greater than a target value  T. The fidelity is given by  F  

(

) ( )

−+∞∞ − = vt u t dt F τ τ max   (6)   

and  it  measures  how  accurately  the  received  signal  v

( )

t   reproduces  the  transmitted  signal u

( )

t .  A  fidelity  of  F =1  indicates  a  perfect  match  between 

 and  . 

( )

t

v u

( )

t

In order to evaluate the electrical characteristic of the system as well as of the  received  signal,  the  whole  system  composed  by  the  transmitting  antenna  and  the receiving one, and the propagation channel is modeled by means of a FDTD  simulator. The use of a simulator working in the time domain is a natural choice  because  of  the  very  large  bandwidth  involved  in  UWB  communications.  As  a  matter  of  fact,  the  use  of  a  frequency‐based  simulator  would  result  in  a  non‐ negligible computational cost. 

 

Experimental Validation   

In  this  section,  a  representative  result  is  reported  to  preliminary  shown  the  reliability  and  the  efficiency  of  the  proposed  synthesis  approach.  The  design  process  is  aimed  at  synthesizing  an  UWB  antenna  working  in  the  frequency  range  from  f1 =4GHz  up  to  f2 =11GHz.  In  order  to  fit  the  UWB  requirements,  the  project  constraints  have  been  fixed  to  s11T

( )

f =−10dB  and 

.  9 . 0 = T F  

(5)

    (a)  (b)    Fig. 1 – (a) Antenna geometry and (b) simulated/measured values of the s11 magnitude    The set of parameters describing the antenna geometry is shown in Fig. 1 (a). In  such  a  case,  the  set  of  unknown  variables  is  constituted  by  some  geometrical  parameters and  by  the  position  of  7  control  points  generating  the  spline  curve  that defines part of the front‐side of the antenna shape [4]. Accordingly, it turns  out that   

{

; =1,K

}

=

{

; =1,K4;

(

,

)

; =1,K7

}

= p n N i x y j p n αi j j .  (7)  

 After  the  optimization,  the  following  values  have  been  determined:  mm 0 . 32 1 = α ,  α2 =8.6mm,  α3 =4.0mm,  α4 =11.8mm,  ,  ,  ,  mm x1 =4.0 mm y1 =13.9 x2 =4.8mm y2 =19.6mmx3 =5.3mm,  ,  ,  ,  mm y3 =20.0 mm x4 =5.5 y4 =16.7mm x5 =5.9mmy5 =23.6mm,  ,  ,  , and  mm x6 =5.0 mm y6 =28.3 x7 =0.0mm y7 =18.7mm.   

In  order  to  verify  the  performance  of  the  synthesized  antenna  over  the  whole  bandwidth of  , the results are shown in the frequency domain. As far as  the  condition  of  distortionless  system  is  concerned,  it  has  been  evaluated  in  terms  of  the    parameter.  More  in  detail,  the  correct  reception  of  the  transmitted  UWB  waveform  is  assured  if 

GHz 7

21

s

21

s   presents  a  flat  behavior  and  the   phase is linear over the band of interest. Figure 1(b) shows the simulated and  measured values of  21 s

( )

f s11 . As it can be observed, the synthesized antenna fits  the project guidelines since the simulated return loss is less than   from   up to  . Moreover, the widest variation of the magnitude  of   is less than   [Fig. 2(a)], while the phase behavior is linear [Fig 2(b)]. 

dB 10 − GHz f1 =4 f2 =11GHz 21 s 7dB  

(6)

    (a)  (b)    Fig. 2 – Simulated and measured values of (a) the magnitude and (b) the phase of s21.    Conclusions   

In  this  paper,  an  innovative  approach  for  the  synthesis  of  antennas  fitting  the  requirements  of  an  UWB  communication  system  has  been  presented.  Such  an  approach  allows  one  to  design  UWB  antennas  with  distortionless  propagation  properties as well as good impedance matching over the whole band of interest.  As expected, the use of a time‐domain technique permits the accurate modeling  of the antennas, the communication channel, and of the mutual interactions.       References    [1] Z. N. Chen, X. H. Wu, H. F. Li, N. Yang, and M. Y. W. Chia, "Consideration  for  source  pulses  and  antennas  in  UWB  radio  system,"  IEEE  Trans. 

Antennas Propag., vol. 52, pp. 1739‐1748, Jul. 2004. 

[2] X. Qing, Z. N. Chen and M. Y. W. Chia, "Characterization of ultrawideband  antennas using transfer functions," Radio Sci., vol. 41, RS1002, pp. 1‐10,  2006. 

[3] J.  Robinson  and  Y.  Rahmat‐Samii,  "Particle  swarm  optimization  in  electromagnetics,"  IEEE  Trans.  Antennas  Propag.,  vol.  52,  pp.  397‐407,  Feb. 2004. 

[4] L. Lizzi, F. Viani, R. Azaro, and A. Massa, "A spline‐based antenna for UWB  communications,"  IEEE  Antennas  Wireless  Propag.  Lett.,  vol.  6,  pp.  182‐ 185, 2007. 

Riferimenti

Documenti correlati

ISSN 1828-5961 La restituzione virtuale dell’architettura antica come strumento di ricerca e comunicazione dei beni culturali: ricerca estetica e gestione delle fonti.. La

Como hemos podido observar, entonces, la figura intelectual que Sarmiento ofrece en sus Recuerdos se sostiene no tanto en la construcción de un linaje selectivo –aunque en

O paradoxo era justamente um dos modismos beletristas que Oswald de Andrade negava: “não há, em absoluto, a volúpia literária de fazer paradoxos”, disse em entrevista

La distanza abissale che separa i videoclip dei primi anni di MTV da quelli degli anni Settanta è testimoniata dal fatto che il video di uno dei più grandi

First, as ex- plained above, Paul’s own solution to the problem of transformative choice is to assign subjective value to revelations, which, on the response-dependent model,

We evalu- ated positive psychotic symptoms, depression, persecution, deservedness and insight in a clinical sample of 81 people with schizophrenia or other psychotic

Based on the above, the aim of the present study is to ver- ify if war increased the risk of developing MDD in a group of Italian soldiers hospitalised at a mental health hospital

ne suicidaria tra terapeuta e paziente ai fini di una migliore formazione professionale del terapeuta nella valutazione e gestione del rischio suicidario del paziente. Sono